高波　彭程　王志勇　李兆澤　邢世杰　周利杰

摘要：針對室內盆栽長期無人看守養(yǎng)護的情況，研究設計了一種利用物聯(lián)網技術的盆栽遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)根據(jù)ZigBee輕型無線通信協(xié)議建立了由CC2530作為感知終端控制器的無線傳感器網絡，然后主控單元樹莓派三代與感知層節(jié)點串口通信，并通過搭建Web服務器和數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和互聯(lián)網服務，最后遠程用戶可由Internet與Web服務器的信息交互，實現(xiàn)盆栽的遠程監(jiān)測和控制。通過現(xiàn)場演示證明，該盆栽物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的可靠性。

關鍵詞：盆栽;物聯(lián)網;ZigBee;Web服務器;遠程監(jiān)控

0 引言

目前，物聯(lián)網技術在智能家居領域得到了推廣和應用[1-2]。其中，盆栽養(yǎng)護利用物聯(lián)網技術可以遠程監(jiān)控植物所需的水、光和營養(yǎng)等環(huán)境數(shù)據(jù)，保證其能夠健康生長。傳統(tǒng)的物聯(lián)網技術過分依賴感知終端和互聯(lián)網的直接通信[3]，這種方式會隨著終端數(shù)量的增加而加重通信負擔。鑒于此，本文采用基于ZigBee技術的無線傳感器網絡[4]，可同時允許多個感知終端接入Internet，建立盆栽物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)手機端實時遠程狀態(tài)監(jiān)測和控制。

1 盆栽物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.1? ? 總體結構

盆栽物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng)總體結構如圖1所示，由下到上分別是感知執(zhí)行層、網絡層、應用層。其中，感知執(zhí)行層包括傳感器和執(zhí)行模塊，比如溫度、濕度、光照強度等傳感器以及水泵、遮陽電機、營養(yǎng)液投放器等執(zhí)行單元。CC2530節(jié)點控制器利用ZigBee/Z-Stack協(xié)議棧建立無線傳感器網絡，形成數(shù)據(jù)匯集點并通過RS485串口與樹莓派三代主控制器進行信息交互。

網絡層中，樹莓派三代主控系統(tǒng)作為中樞節(jié)點實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)與Internet之間的交互。主控單元在Linux系統(tǒng)下搭建Web服務器和數(shù)據(jù)庫，并通過Wi-Fi模塊與互聯(lián)網相連。Web服務器可以響應用戶請求，數(shù)據(jù)庫可以存儲終端節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。

應用層由手機小程序和PC機端組成，通過Internet訪問中樞節(jié)點Web服務器，獲取盆栽實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可以將用戶需求下發(fā)給盆栽系統(tǒng)實現(xiàn)遠程信息交互。

1.2? ? 系統(tǒng)主要功能

基于物聯(lián)網技術架構的盆栽監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能包括以下四大方面：

（1）實時監(jiān)測。針對盆栽環(huán)境數(shù)據(jù)，采用DHT11溫濕度傳感器實時采集空氣環(huán)境溫度和濕度，YL69濕度傳感器監(jiān)測土壤濕度，利用光敏電阻獲取光照強度。同時，采用圖像傳輸、電壓/電流測量等方式獲取系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)。最終在物聯(lián)網架構下，利用上述監(jiān)測方式獲取實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過通信網絡傳輸給主控系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)存儲和交互。

（2）智能保護。為提高盆栽遠程監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設定了智能保護、休眠與復位功能。當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常告警后，會通過用戶端及時提醒用戶處理異常和故障。警告信號包括感知層傳感器數(shù)據(jù)的異常（比如光照過強、溫度過高、土壤水分過少等）、系統(tǒng)自身狀態(tài)異常（比如過電壓、過電流、過熱、電池電量不足、水箱缺水、營養(yǎng)液不足等）。

（3）自動控制。用戶可以根據(jù)需要，通過手機APP設置系統(tǒng)的工作模式，分為手動、自動模式。自動模式下，根據(jù)實時獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，主控制器進行分析和判斷，實現(xiàn)自主澆水、施肥、遮陽等自動控制功能。手動模式下，用戶可以根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)直接下發(fā)控制命令，完成盆栽的養(yǎng)護。其中，自動施肥屬于定期施肥，施肥周期根據(jù)植物類型對營養(yǎng)需求不同而設定。

（4）網絡通信。系統(tǒng)的網絡通信技術涵蓋了串口通信、Z-Stack協(xié)議棧、Web服務器和互聯(lián)網技術，完成由感知層節(jié)點控制器CC2530、中樞點樹莓派三代控制器到遠程用戶端的網絡通信，實現(xiàn)信息的實時交互。

1.3? ? 軟件設計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示，主要包括初始化，建立通信網絡，數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲，系統(tǒng)分析判斷，命令執(zhí)行等部分。其中，數(shù)據(jù)采集包括上述環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)。當檢測到系統(tǒng)正常運行時，系統(tǒng)會自動進入休眠，降低功耗。

2 技術要點分析

系統(tǒng)涵蓋了以下五方面關鍵技術，包括無線傳感器網絡技術、自動澆水/施肥、數(shù)據(jù)庫、Web服務器、用戶端遠程監(jiān)控平臺設計。

2.1? ? 無線傳感器網絡技術

為了避免多傳感器終端負載過重的問題，設計了一套基于ZigBee/Z-Stack協(xié)議棧的輕型無線傳感器網絡，可將網絡內全部感知終端數(shù)據(jù)由CC2530控制器形成匯聚節(jié)點。CC2530控制器電路設計如圖3所示。

2.2? ? 自動澆水和施肥

自動澆水或施加營養(yǎng)液的關鍵是適時、適量。當系統(tǒng)判斷需要澆水時，通過脈沖寬度調制方式驅動水泵電機。在這種方式下，驅動信號頻率固定，通過調節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比來調控水泵電機轉速。自動澆水對應電路如圖4所示，其中光耦器件具有電氣隔離的作用。定期自動施肥技術與此相似。系統(tǒng)通過連通器原理，能夠顯示水容量和營養(yǎng)液容量，并通過圖片傳輸完成剩余量的判斷。

2.3? ? 數(shù)據(jù)庫設計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲和查詢，主控系統(tǒng)利用關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（MySQL）實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理。首先設計一個與感知層設備相對應的終端表“end_device”，然后建立能保存終端設備監(jiān)測信息包的數(shù)據(jù)表“data”，最后利用connect（）函數(shù)建立數(shù)據(jù)庫連接對象，并用cursor（）建立操控對象，使用execute（）完成對數(shù)據(jù)庫的操作。同時，為了降低數(shù)據(jù)采集量，設置定期清理不必要數(shù)據(jù)的程序。系統(tǒng)以2 h為一個周期，清理前2 h數(shù)據(jù)的同時，求得這2 h數(shù)據(jù)的平均值并存在“data_two_Hours”數(shù)據(jù)表里，方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)。

2.4? ? Web服務器

Web服務器采用了Apache HTTP Server，其采用Python語言作為服務器端腳本語言來處理遠程設備網絡請求。同時配置了CGI擴展庫和處理網絡請求的API，并與MySQL數(shù)據(jù)庫建立連接，在互聯(lián)網服務基礎上提供查詢服務。在服務器中設定分別用來實現(xiàn)獲取設備信息、實時數(shù)據(jù)和一定時間內歷史數(shù)據(jù)的3個服務腳本，利用SQL語句與數(shù)據(jù)庫交互。

2.5? ? 遠程監(jiān)控平臺

遠程監(jiān)控平臺主要是指在手機小程序中開發(fā)的一套小程序，可通過訪問互聯(lián)網Web服務器獲得盆栽環(huán)境信息，并將這些信息顯示在手機上。用戶也可以通過小程序發(fā)送控制命令給云服務器，再由云服務器通過網絡下發(fā)給終端執(zhí)行層，進而實現(xiàn)盆栽遠程監(jiān)控。同時，小程序中設計了基于歷史數(shù)據(jù)和天氣環(huán)境的信息，并根據(jù)盆栽類型，綜合分析判斷，給出養(yǎng)護建議。

3 實際應用情況

手機小程序可以顯示智能花盆環(huán)境信息和系統(tǒng)信息，并可以通過微型攝像頭拍照獲取盆栽實時狀況和水位信息，如圖5（a）所示。利用APP可以對盆栽進行遠程控制，亦可以獲取歷史數(shù)據(jù)，獲得養(yǎng)護建議等，如圖5（b）所示。經實際測試，基于物聯(lián)網技術的盆栽監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了相關功能，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結語

本文針對基于物聯(lián)網技術的盆栽遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計與分析，并通過現(xiàn)場應用證明了其穩(wěn)定性與可靠性。該系統(tǒng)解決了盆栽長期無人看守下的生長問題，在智能家居建設中具有重要的參考意義和應用價值。

[參考文獻]

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[2] 劉強，崔莉，陳海明.物聯(lián)網關鍵技術與應用[J].計算機科學，2010（6）：7-10.

[3] 王志勇，李光，高波.基于物聯(lián)網的智能消防系統(tǒng)設計[J].河北工程技術高等專科學校學報，2017（3）：9-12.

[4] 李燕，路文梅，李文才，等.基于物聯(lián)網技術的遠程抄表監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方式研究[J].河北水利電力學院學報，2018（1）：25-28.

收稿日期：2020-02-26

作者簡介：高波（1989—），男，河南信陽人，助教，從事電氣工程及其自動化專業(yè)的教學和科研工作。

通信作者：李兆澤（1999—），男，河北石家莊人，研究方向：電氣工程及其自動化。